Propriedades fotoinduzidas de ligas de Ti anodizadas para aplicações em biomateriais

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13916 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

As propriedades fotocatalíticas dos óxidos anódicos em um TiNbSn recentemente desenvolvido e em ligas Ti6Al4V comumente usadas como biomateriais foram investigadas. As ligas foram anodizadas em eletrólito de ácido tartarato de sódio com H2O2 em alta voltagem e o mecanismo das atividades fotocatalítica e antiviral foi estudado. O TiNbSn e o Ti6Al4V anodizados exibiram TiO2 rutilo altamente cristalizado e TiO2 anatase pouco cristalizado, respectivamente. A análise por espectroscopia de fotoelétrons de raios X revelou a presença de óxidos dos elementos de liga além do TiO2. O TiNbSn anodizado exibiu atividades mais altas que o Ti6Al4V, e os espectros de ressonância de spin eletrônico indicaram que o número de radicais hidroxila (⋅OH) gerados a partir do TiNbSn anodizado foi maior que o do Ti6Al4V anodizado. Os resultados podem ser explicados por dois mecanismos possíveis: a maior cristalinidade do TiO2 no TiNbSn do que no Ti6Al4V reduz o número de sítios de recombinação de carga e gera ⋅OH abundante; a separação de carga no óxido anódico no TiNbSn devido à estrutura da banda eletrônica entre o TiO2 e os óxidos dos elementos de liga aumenta as atividades fotográficas. Espera-se que as excelentes características fotoinduzidas do TiNbSn anodizado contribuam para o tratamento de implante seguro e confiável.

O Ti e suas ligas são amplamente utilizados como materiais estruturais devido à sua alta resistência (490–1470 MPa para ligas de Ti), resistência à corrosão (menos de 1 mm/ano em 10% HCl), baixa densidade (4,51 g/cm3) e baixo módulo de Young (108 GPa). Recentemente, sua aplicação em dispositivos médicos e odontológicos tem aumentado consideravelmente devido à sua alta biocompatibilidade com os tecidos, além das propriedades citadas. Biocompatibilidade é a capacidade de um material funcionar sem uma resposta clinicamente importante do hospedeiro1. A biocompatibilidade do Ti origina-se de uma camada de óxido de vários nanômetros de espessura presente em sua superfície, que inibe as reações redox2. O óxido forma-se espontaneamente na superfície quando exposto ao ar e encontra-se em equilíbrio termodinâmico3, funcionando assim como uma camada de passivação responsável pela resistência à corrosão e mitigando a liberação de íons metálicos da liga4. Se a camada de óxido não tiver resistência suficiente ao desgaste e à corrosão, ela é facilmente rompida pela tensão de cisalhamento interfacial, e o Ti puro é exposto a fluidos corporais corrosivos, levando assim à eluição de íons metálicos através da ação sinérgica de desgaste e corrosão. . Mesmo que uma nova camada de óxido se desenvolva na sua superfície após a ruptura, a taxa de repassivação é muito lenta para evitar a corrosão6, e a superfície é danificada devido ao estresse incessante7. Portanto, óxidos de titânio adesivos e resistentes à tribocorrosão são necessários para biomateriais. A forma tetravalente do TiO2 é bem conhecida por sua biocompatibilidade, alta estabilidade química e baixa toxicidade8. O óxido é um fotocatalisador semicondutor tipo n que gera elétrons e buracos sob iluminação ultravioleta (UV), correspondendo a uma energia de band gap (Eg) de 3,2 e 3,0 eV para as fases anatase e rutilo, respectivamente9. As cargas geradas reagem com a água e o oxigênio na atmosfera para produzir espécies reativas de oxigênio (ROS), como peróxidos, superóxido e radicais hidroxila10. As ROS degradam poluentes orgânicos tóxicos adsorvidos na superfície, bactérias e vírus, a menos que ocorra recombinação de portadores de carga em defeitos de rede . O TiO2 possui três formas cristalinas12: anatase (tetragonal, a = b = 0,3782 nm e c = 0,9502 nm), rutilo (tetragonal, a = b = 0,4594 nm e c = 0,2959 nm) e brookita (romboédrica, a = 0,9185 nm, b = 0,5447 nm e c = 0,5143 nm). O anatásio e o rutilo existem em temperaturas baixas e altas, respectivamente, e a brookita raramente é observada. É relatado que o rutilo exibe menor fotoatividade que o anatase devido à alta taxa de recombinação dos pares elétron-buraco e à posição da banda de condução . O tempo de vida dos portadores fotogerados do rutilo é mais curto que o do anatase15, devido à transição direta de banda dos portadores de carga entre as bandas de valência e de condução no rutilo, em vez da transição indireta de banda no anatase16.